恩施玉露整形上光机的设计概念

侯伟华 张 强 崔清梅 李卫东 袁程晓 梁金波 戴居会

(恩施州农业科学院茶叶研究所湖北农业部科技创新中心鄂西综合实验站 445002)

茶叶整形上光在传统恩施玉露加工过程中形成其条索紧细圆直，形如松针，色泽苍翠润绿的重要环节，对恩施玉露的品质影响很大。然而手工整形上光过程劳动强度大、生产效率低，由于机械加工茶叶的品质无法达到手工炒制的水平，限制了高品质茶叶加工机械化的应用范围。近年茶机企业设计生产了一些针条形茶加工机械，但是加工的茶叶直条率较低;另外，槽锅结构的理条机是间歇式工作，做形时间长，难与其它工序协调节拍，不适合连续生产。

概念设计［1］的过程，是一个发散思维和创新设计的过程。根据产品生命周期各个阶段的要求，进行满足功能和结构要求的工作原理，求解和进行实现功能结构的工作原理，进行载体方案的构思和系统化设计［2］。为了解决恩施玉露整形上光问题，适应茶叶的自动化加工发展趋势，需要开发新型连续做形机。本文在吸取过去理条机与精揉机试制经验的基础上［3］，从理论上阐述针条形茶加工设备的设计问题，并提出新的设计方案，开发一种半滚筒式整形上光机。

1 恩施玉露做形工艺手法分解

整形上光全程分两阶段:第一阶段为悬手搓条，搓到茶条呈细长圆形，色泽油绿，约七成干时，改变搓条手法;第二阶段即依托搓，采用“搂、搓、端、扎”四种手法交替进行，继续整形上光，直到干燥适度为止。

搂:悬手搓条法，双手相对提起，手臂向外弯曲，拇指撬起，四指并拢向内弯曲，把茶条搂拢。双手稍用力抓紧，使少量茶条从两手虎口和小指边挤出，理齐茶条。

搓:使茶条紧细，挺直光滑。揉法与悬手搓不同，而以焙炉为依托，在搂的基础上，四指第一节微弯曲，呈钩状，压在少量茶坯上。与整形面呈60－70°角，固定不动，右手顺势将理齐的茶条带上左掌。拇指撬起，四指伸直并拢，向右前方搓去，使茶条随手向前滚转，并在虎口和小指边吐出约1/5。

端:理条作墩，把茶条理齐成堆，然后换手法继续搓条。当右掌心搓至与弯曲的左指尖相对时，两手顺势端起茶墩，略转身向右微弯腰，左手向前搓茶。

扎:搓制低级玉露茶常用的手法。多因芽叶较长或长短不一，扎短茶条，继之搓、端、搂交替炒制。

在整形上光过程中，搓茶用力实现轻重轻交替。第一阶段悬手搓条要轻，进入第二阶段，茶坯达到含水量25－30%，条索互不粘连是稍用力，使茶条紧细挺直，至含水量20%左右，减小搓力，固定外形，整个过程70－80 min。

2 整形机的设计要求

实现机械产品的功能是靠工艺动作来完成的，工艺动作的分解对应于功能的分解，同一功能可以由不同的工艺动作实现［4］，首先对工艺动作进行构思。通过原理部件间的设计要求和条件，弄清空间和结构上的关系，对设计产品进行功能分析，以得到产品功能的准确描述，每个主要的功能都可以对应于其上，使他们有机地结合起来，从这个框架中得到产品大致的总体尺寸、性能和成本，以及在目前的环境下的可行性等。

2.1 做形中各要素的工艺分解

茶叶做形是按照一定的规律运动，让茶叶在一定压力下以嫩茎为轴滚动卷曲成条。对恩施玉露整形工艺手法进行详细分析，实质是完成搓条、调整、理条和干燥等功能。手工做形技术中上述四个功能并没有明显的界限，搓揉和理条紧密结合，干燥的同时也要理条，不需要茶叶前进。恩施玉露手工搓制时双手反复交替，揉搓方向频频调整，茶叶随着搂、搓、端的动作方向改变而改变;因此，茶叶做形过程有两个关键点:通过施力方向的改变和施力大小的调整。

图1 手工整形示意图

同时，手工搓制玉露也存在不足，大量茶叶在手掌中运动(图1)，茶叶受力面不平，手掌搓力无法针对某一单体进行搓制，由于茶叶具有受力体变形的特点，很难将茶叶做成直而紧的外形。假设茶叶搓条时的理想状态，对搓条时茶叶单体进行运动分析，形成茶叶紧细圆直的首先条件是，在一个平直的受力面，有相对均匀的压力和驱动力对茶叶施压搓制，驱动力大小可调节;在驱动力下茶叶绕主脉滚动，根据茶叶含水率的大小施以不同压力，这样茶叶条索渐紧，最终完成整个做形过程。

2.2 执行机构系统的构思与设计

实现连续化生产，必须使茶叶前进。茶叶搓条与前进，是本机设计的核心。工程设计问题常采用功能分解，通过分析工程系统功能关系，确立待设计系统物理参数;根据系统中能量传递建立系统转换模型［5］。因此在设计时功能需求=［搓条、前进、干燥］;因此可以将其分解过程为=［茶叶整理、揉搓、调整方向、加热］，相应的设计参数为=［驱动力F、驱动方向力G、揉搓时间t1、前进时间t2、温度C］，新机型的设计必须提供上述条件。其中，假设对茶叶单体进行加工，调整茶叶搓制的方向是本设计的关键。

茶叶加工机械能否制出符合要求的外形，关键就是看能否设计出茶叶在槽锅中能实现所需外形的运动状态，以及如何设计茶叶加工机械使茶叶在锅槽中实现这种运动状态。根据分析，完成理想动作，一是提供茶叶单体受力的条件。改变施力方式，调整两个方向搓制为单方向搓制，使主动手势与被动手势的交替变换，为揉刷始终作为主动手势施压驱动，完成做形动作;二是提供平直的受力环境和均匀的驱动力，使茶叶在驱动下发生滚转运动，与受力面和驱动面均发生相对运动，使茶叶搓制时滚动，前进时滑动，减小茶叶运动面。因此，执行机构设计倾斜槽面作为支撑面提供压力，以槽调整茶叶方向，重力分力提供前进力。

2.3 温控系统

温度是影响制茶品质的重要参数，与做形效果和在制茶叶的含水量密切相关。温度过高会导致茶叶失水过快，在整形结束之前含水量便降到规定的标准之下，给进一步整形带来困难。合适的温度、湿度会使茶叶的可塑性适合整形的需要。在整形上光机设计中，温控与动作执行机构是彼此独立的系统，设计时可互不干扰。茶叶连续自流机构的速度与温度协调配合起来，共同控制茶叶的失水率。温度一定时，茶叶在整形过程中的含水量，可依靠调节茶叶连续自流机构的运行速度来实现。

3 整形上光机的设计要求

整形上光机总体设计的要求是，外形美观、操作安全、环保节能、温度能自由调节、恒温控制，紧密结合制茶理论，有所突破创新，实现茶叶连续化加工。实现功能的工艺动作，机构产品概念设计，最终归结为执行机构系统方案设计，传动及执行机构系统是方案设计的核心。整形上光机分为三部分:动力系统、传动及执行机构系统和控制系统。恩施玉露整形上光机的设计框架如图2所示:

图2 整形上光机整机示意图

3.1 工艺执行机构系统设计

3.1.1 茶叶搓制环境——锅体的设计 根据整形上光机的设计构思，锅体的设计需要具备两个功能:一是提供茶叶搓制需要的理想环境;首先简化手工工艺，改变茶叶两个方向搓制为一个方向;提供茶叶单体的加工环境和无限平直的受力环境，使茶叶每受一次力搓制效果等于或好于手工效果;设计方案:为了实现对茶叶单体的搓制环境，设计整形机构为槽锅型，槽深仅能容下茶叶单个体;导叶槽与导叶面依次交错，导叶面宽约等于茶叶在手掌中搓制的行程。假设经初步理条的茶条长度20－30mm，直径1－2mm，锅体半周长相对于茶叶导叶面槽可视为无限平直受力面;二是调整茶叶搓制方向，实现茶叶加工的连续化，即使茶叶搓制过程中前进。锅体内导叶面/导叶槽呈螺旋状分布，并与锅体主轴呈一定夹角θ;当对茶叶施力搓制时，茶条与槽面和揉刷发生相对运动，即茶叶在施力装置作用下行程为一个导叶面，茶叶被带到一定高度，继而顺螺旋状导叶槽下滑，调整茶叶方向，驱动力G为重力分力，同时使茶叶前进;随着下一次搓制过程的到来，搓制时间t1和前进时间t2交替进行，并最终完成前进动作。

3.1.2 施力装置——刷体的设计施力装置是实现整形上光机的关键。刷体的设计要符合两点:一，提供符合要求的搓制力，根据茶叶物理性质对搓制工艺的要求，做形过程中需要提供轻－重－轻交替的压力，因此对刷体材料的软硬要求、材料的耐热性、刷面对粗糙度，都有经过选型试验;二，调整刷体的刷体形状、大小及角度，以与锅体匹配;揉刷长度同导叶面宽或略长，以提供均匀搓制力。

3.2 工作原理

待制茶叶由进料口4散落在螺旋形锅槽上，在整形机前段经过刷体5和导叶槽/面7的调整，首先达到最佳搓制状态;继而在揉刷5的压力驱动下茶叶发生滚动，并与揉刷、导叶面相对运动，形成为一个面宽，即相当手工搓制一次;当达到一定高度时，导叶槽斜度大于茶叶摩擦角时，茶叶即下滑前进。同时，槽锅体半圆上方与揉刷脱离接触，即不允许茶叶被带到高于轴的地方，防止茶叶回翻或被抛到锅槽之外。当茶叶搓制到尾端，尾端槽体有一出料口，茶叶自行落在出料震动槽14，完成整个做形过程。

在设计整形上光机时，将制茶分解为多项可以控制的参数，注重对做紧做直、整形环境的量化，包括温度、加压压力、茶叶连续自流速度(转速)等。茶叶连续自流机构的速度、加压机构的压力、加热温度均可调。确定以上参数的最佳组合，通过上述参数的调节以达到制出最佳品质的茶叶。

4 结论

4.1 实现技术的创新

恩施玉露传统手工制茶主观性很强，茶叶制作过程中质量控制的许多参数无法量化。本设计改变了传统的茶叶加工机械的设计思路，使运动设计和制茶理论相结合，变传统理条机往复平动为旋转推进式运动，做形中实现茶叶前进。

4.2 解决做形不能连续的技术瓶颈

传统的针形茶做形机械都是间断投料、间断取料的，这种茶叶加工机械不能实现真正意义上的连续化加工。茶叶连续化生产线上的设备必须是连续投料、连续出料的。否则，就会造成一些设备在茶叶加工过程中发生在制品堆积或设备空转的现象。本研究设计的恩施玉露整形机，采用茶叶连续自流机构运送茶叶，加热、加压均在茶叶连续自流机构上进行，完全实现连续作业这个问题，提高了劳动效率，降低劳动强度，并减少制茶过程中的二次污染。

4.3 做形过程的量化控制

传统由热风炉供热的恩施玉露整形平台，前后温度不均，导致做形过程中茶叶品质变化不一;且手工做形，人的技术高低区别很大，并且热风炉热能效率低，同时产生大量的废气、废渣。本研究设计的恩施玉露整形机，将茶叶制作过程中质量控制量化成加压装置压力、温度、茶叶连续自流机构速度等参数，朝茶叶制作质量可控化方向，迈进一步。

1 曹东兴，檀润华，苑彩云.基于功能分解的机械产品概念设计.机械工程学报，2001，37(11):13 －17.

2 邹慧君，汪利，王石刚.机械产品概念设计及其方法综述.机械设计与研究，1998，(2):9 －12.

3 侯伟华，张强，崔清梅.针形绿茶做形机械研究进展.茶叶，2010，36(2):67－70.

4 李克彬，吕志成，王淑琴.基于公理设计的扁茶加工设备的研究与开发.食品与机械，2006，22(6):103 －106.

5 邹慧君编著.机构系统设计.上海:上海科学技术出版社，1996.